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Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einer Regeleinrichtung zur Regulierung der Wasserflussmenge durch die Wasserkraftanlage. Ferner betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren einer solchen Wasserkraftanlage. Dabei handelt es sich um Wasserkraftanlagen mit variabler Fallhöhe, d.h. um Wasserkraftanlagen, bei denen sich die Pegelhöhe im Oberwasser ändern kann.
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Wasserkraftanlagen mit einer Regeleinrichtung zur Regulierung der Wasserflussmenge durch die Wasserkraftanlage umfassen ein Regelorgan, welches kontinuierlich geöffnet bzw. geschlossen werden kann, wobei der Öffnungsgrad des Regelorgans die Wasserflussrate durch die Wasserkraftanlage bestimmt. Bei Wasserkraftanlagen mit variabler Fallhöhe darf in einem Teilbereich der möglichen Fallhöhe die maximale Öffnung des Regelorgans nicht angefahren werden, da sonst die Leistung der Wasserkraftanlage zu hoch werden würde. Herkömmlicherweise erfolgt die fallhöhenabhängige Begrenzung der Öffnung des Regelorgans mit Hilfe eines Computerprogramms, welches in der Steuereinrichtung der Wasserkraftanlage abläuft. Neben der Öffnungsbegrenzung durch die Software, verhindert auch der Schutz des Generators der Wasserkraftanlage eine Überleistung. Im Fehlerfall, d.h. beim Ausfall der genannten Schutzfunktionen, gibt es aber keine sichere Begrenzung der Öffnung. Das ist insofern relevant, als dass die Öffnung im Durchgangsbetrieb die Durchgangsdrehzahl maßgeblich bestimmt. Es kann also nicht sichergestellt werden, dass im Durchgangsfall die fallhöhenabhängige Begrenzung noch wirkt, so dass die Anlage auf die maximal mögliche (wenn auch unwahrscheinliche) Durchgangsdrehzahl ausgelegt werden muss.
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Zum allgemeinen Stand der Technik gehören die folgenden Schriften:
DD 2 69 183A1 , welche eine Regeleinrichtung für Klein-Wasserturbinen offenbart, und
US 2 782 768 A , welche einen Regler für ein Wasserrad offenbart.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wasserkraftanlage anzugeben, bei der die fallhöhenabhängige Öffnungsbegrenzung noch wirkt, nachdem die genannten Schutzfunktionen ausgefallen sind, so dass die Wasserkraftanlage kostengünstiger ausgelegt werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1: Erfindungsgemäße Wasserkraftanlage
- 2: Erfindungsgemäßer Servo-Zylinder in einer ersten Ausführungsform
- 3: Erfindungsgemäßer Servo-Zylinder in einer weiteren Ausführungsform
- 4: Erfindungsgemäßer Servo-Zylinder in einer weiteren Ausführungsform
- 5: Erfindungsgemäßer Servo-Zylinder in einer weiteren Ausführungsform
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Wasserkraftanlage in stark schematischer Darstellung. Die Wasserkraftanlage umfasst ein Oberwasser, welches mit 1 bezeichnet ist, wenigstens ein Regelorgan, welches mit 2 bezeichnet ist, wenigstens einen Servo-Zylinder, welcher mit 3 bezeichnet ist, eine Steuereinrichtung, welche mit 4 bezeichnet ist, und einen variablen Anschlag, welcher mit 5 bezeichnet ist.
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Beim Oberwasser kann es sich um ein künstliches oder natürliches Gewässer handeln. Das Oberwasser besitz einen variablen Wasserpegel, welcher mit der Fallhöhe der Wasserkraftanlage korreliert ist. Die Steuereinrichtung 4 ist so ausgebildet, dass dieselbe die Fallhöhe der Wasserkraftanlage erfassen kann. In 1 ist dieser Zusammenhang durch das kleine Dreieck und die gestrichelte Linie zwischen demselben und der Steuereinrichtung 4 angedeutet. Dazu umfasst die Wasserkraftanlage einen geeigneten Detektor, mit welchem die Fallhöhe bestimmt werden kann. Dabei kann es sich um ein Pegelmessgerät am Oberwasser handeln. Es könnte auch ein Drucksensor im Wasserweg der Wasserkraftanlage sein, da der hydrostatische Druck im Wasserweg mit der Fallhöhe korreliert ist.
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Mit dem Regelorgan 2 kann die Wasserflussrate durch die Wasserkraftanlage eingestellt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Leitapparat handeln. Bei einer Pelton-Turbine sind die einstellbaren Düsennadeln die Regelorgane der Wasserkraftanlage. Das wenigstens eine Regelorgan 2 wird durch wenigstens einen hydraulischen Servo-Zylinder 3 betätigt. Damit die Öffnung des Regelorgans 2 in Abhängigkeit von der jeweiligen Fallhöhe begrenzt werden kann, umfasst der Servo-Zylinder 3 einen variablen Anschlag 5. Der variable Anschlag 5 und die Steuereinrichtung 4 sind dabei so ausgeführt, dass die Steuereinrichtung 4 den Anschlag 5 in Abhängigkeit von der Fallhöhe einstellen kann. Der Anschlag 5 ist ferner so ausgeführt, dass er die Öffnung des Regelorgans 2 nach oben hin begrenzen kann.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Servo-Zylinder 3 in einer ersten Ausführungsform. Der Servo-Zylinder 3 umfasst einen ersten Kolben, welcher mit 6 bezeichnet ist, und eine Stange, welche mit 7 bezeichnet ist. Zusätzlich umfasst der Servo-Zylinder 3 einen zweiten Kolben, welcher als variabler Anschlag fungiert und daher mit 5 bezeichnet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der zweite Kolben 5 in Bezug auf den ersten Kolben 6 auf der Seite der Stange 7 angeordnet und fliegend gelagert ausgebildet. Daher wird der zweite Kolben 5 von der Stange 7 durchdrungen. Selbstverständlich sind die beiden Kolben mit den üblichen Dichtungen versehen. Durch die beiden Kolben wird das Innere des Servo-Zylinders 3 in drei variable Teilbereiche unterteilt, die in 2 mit A, B und C bezeichnet sind. Die Stellung des ersten Kolbens 6 ist von der Größe des Teilvolumens A abhängig. Die Stellung des zweiten Kolbens 5 ist von der Größe des Teilvolumens C abhängig. Eine Änderung des Teilvolumens B kann zu einer Änderung der Stellung des ersten Kolbens 6 oder des zweiten Kolbens 5 oder von beiden Kolben führen.
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Es ist klar, dass wenn das Teilvolumen C vergrößert wird, sich der Bewegungsspielraum des ersten Kolbens 6 nach rechts verkleinert. Damit der als variabler Anschlag fungierende zweite Kolben 5 die Öffnung des mit dem Servo-Zylinder 3 verbundenen Regelorgans begrenzen kann, muss die Öffnen-Bewegung des Servo-Zylinders nach rechts gerichtet sein, was in 2 durch den unten angeordneten Pfeil angedeutet wird. Damit der zweite Kolben 5 verstellt werden kann, muss das Teilvolumen C mit einer geeigneten Quelle für Hydraulikflüssigkeit verbunden werden. Dies ist durch eine Zuleitung und ein Ventil in der Zuleitung in 2 angedeutet. Für die im Folgenden beschriebene Funktionalität wird mehr als ein einfaches Öffnen-Schließen-Ventil benötigt, da eine Änderung der Größe des Teilvolumens C eine Änderung der Größe des Teilvolumens B involviert. Die Ventile (bzw. auch ein Mehrwegeventil) werden von der Steuereinrichtung 4 gesteuert. Wenn sich die Fallhöhe erhöht, dann sorgt die Steuereinrichtung 4 dafür, dass sich das Teilvolumen C vergrößert. Wenn sich die Fallhöhe erniedrigt, dann sorgt die Steuereinrichtung 4 dafür, dass sich das Teilvolumen C verkleinert. Bei einer Änderung der Größe des Teilvolumens C ist es meist nicht erwünscht, dass sich die Größe des Teilvolumens A verändert, da das zu einer Änderung der Stellung des Regelorgans 2 führen würde. Im Prinzip ist es jedoch nicht ausgeschlossen, dass eine Änderung der Größe des Teilvolumens C mit einer Änderung der Stellung des Regelorgans 2 zeitlich einhergeht. Die Zuleitungen für die Teilvolumen A und B sind in 2 nicht dargestellt.
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Eine weitere Ausführungsform ergibt sich ausgehend von der in 2 dargestellten Anordnung dadurch, dass der zweite Kolben 5 nicht rechts sondern links vom ersten Kolben 6 angeordnet wird. Dann wird der zweite Kolben 5 nicht mehr von der Stange 7 durchdrungen. Außerdem ist dann die Öffnen-Richtung nach links gerichtet.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Servo-Zylinder 3 in einer weiteren Ausführungsform. Die dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform von 2 dadurch, dass die wirksame Fläche Fc im Teilvolumen C größer ist als die wirksamen Fläche FB im Teilvolumen B. Dies wird dadurch erreicht, dass der Außendurchmesser des Servo-Zylinders 3 im Bereich des Teilvolumens größer ist als im Bereich des Teilvolumens B.
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Das führt dazu, dass der zweite Kolben 5 am Außendurchmesser eine Stufe aufweist. Das kleine Totvolumen, dass dadurch entsteht, ist mit der Atmosphäre verbunden. Wenn Fc größer als FB ist, dann gestaltet sich die Verstellung des zweiten Kolbens 5 bei zunehmender Fallhöhe besonders einfach, da die Zuleitung in das Teilvolumen C mit der Zuleitung in das Teilvolumen B verbunden werden kann. D.h. wenn das dargestellte Ventil geöffnet wird, liegt in den Teilvolumen C und B der gleiche Druck an, was zu einer Bewegung des zweiten Kolbens 5 nach links führt. Alternativ kann auch ein Steuerventil verwendet werden, welches als 4/3 Wegeventil ausgebildet ist, und welches vom Druckspeicher versorgt auf die beiden Teilvolumina B und C wirkt.
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Die Verstellung des zweiten Kolbens 5 bei abnehmender Fallhöhe kann dadurch gewährleistet werden, dass das Ventil als Dreiwegeventil ausgeführt wird, und das Ventil dann so betätigt wird, dass das Teilvolumen C mit einem unter Atmosphärendruck stehenden Auffanggefäß verbunden wird.
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Die Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich ferner dadurch, dass der zweite Kolben 5 mit einer Rückmeldungsstange (engl. „feedback rod“) verbunden ist. Diese ist als auf der Stange 7 gleitenden Hülse ausgebildet und mit 8 bezeichnet. Mit Hilfe der Rückmeldungsstange kann die Position des zweiten Kolbens erfasst werden, so dass die Einstellung des zweiten Kolbens sehr genau erfolgen kann. Eine solche Rückmeldungsstange kann auch in den oben beschriebenen Ausführungsformen zum Einsatz kommen.
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4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 3. Die Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet sich dadurch von der Ausführungsform gemäß 3, dass die beiden Stangen 7 und 8 an unterschiedlichen Enden des Servo-Zylinders 3 aus demselben austreten.
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In allen Ausführungsformen, bei welchen der variable Anschlag 5 als ein zweiter Kolben im Servo-Zylinder ausgebildet ist, ist es von Vorteil, wenn in der Zuleitung in das Teilvolumen C eine Drossel angeordnet ist, so dass sich die Stellung des zweiten Kolbens 5 nur sehr langsam ändern kann. So bleibt bei einem Totalausfall der Steuerung der Wasserkraftanlage die Öffnungsbegrenzung lange genug wirksam, bis die Wasserkraftanlage mit Hilfe der bekannten Sicherheitseinrichtungen heruntergefahren ist. Die Drossel stellt auch bei aktiver Steuerung keinen Nachteil dar, da sich die Fallhöhe bei einer Wasserkraftanlage gewöhnlich nur sehr langsam ändert.
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Alternativ kann das Ventil so ausgebildet sein, dass es bei einem Totalausfall einen Zustand einnimmt, bei welchem das Teilvolumen C geschlossen ist. Dadurch bleibt die Öffnungsbegrenzung auch in diesem Fall wirksam.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der variable Anschlag 5 nicht im Inneren des Servo-Zylinders, sondern außen am Servo-Zylinder angeordnet ist. Am zur Stange 7 hin angeordneten Ende des Servo-Zylindergehäuses ist ein Gewinde angeordnet. Auf dem Gewinde ist der variable Anschlag 5 aufgeschraubt. D.h. der Anschlag 5 ist als eine Art Überwurfmutter ausgebildet. Durch eine Drehung um die Längsachse des Servo-Zylinders kann der Anschlag 5 in axialer Richtung bewegt werden, wie durch den kleinen Doppelpfeil angedeutet ist. Der Anschlag 5 interagiert mit einem am Ende der Stange 7 angebrachten Befestigungselement, so dass die gewünschte Öffnungsbegrenzung erreicht wird. Die Drehung des Anschlags 5 um die Längsachse des Servo-Zylinders kann beispielsweise durch ein Schneckengetriebe realisiert werden.
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Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für eine erfindungsgemäße Wasserkraftanlage umfasst die folgenden Schritte:
- - Erfassen einer Fallhöhe der Wasserkraftanlage durch die Steuereinrichtung 4;
- - Einstellen des variablen Anschlags 5 zur Begrenzung der Öffnung des Regelorgans 2 in Abhängigkeit von der erfassten Fallhöhe;
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Abschließend sei erwähnt, dass der Anschlags 5, während des Regelbetriebes, niemals unter Last steht, da die fallhöhenabhängige Öffnungsbegrenzung durch das im der Steuereinrichtung ablaufende Computerprogramm gewährleistet wird. Daher erfolgt die Verstellung des Anschlags 5, während des Regelbetriebes, niemals unter Last. Im Fehlerfall kann es zu einer Belastung des Anschlags 5 kommen. Dann wirkt jedoch die (automatische) Hemmung des Anschlags 5, so dass sich dieser unter der Wirkung der Last nicht oder nur sehr langsam verstellen kann. Diese Hemmung wird bei Ausführungsformen mit innenliegendem Anschlag 5 durch das im Fehlerfall schließende Ventil und/oder die Drossel, und bei Ausführungsformen mit außenliegendem Anschlag 5 durch die Selbsthemmung des Gewindes gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Oberwasser
- 2
- Regelorgan
- 3
- Servo-Zylinder
- 4
- Steuereinrichtung
- 5
- Variabler Anschlag zur Öffnungsbegrenzung
- 6
- Kolben
- 7
- Stange
- 8
- Rückmeldungsstange
